聚合物熔体在模内的流动行为

聚合物熔体在模内的流动行为

一、端末效应

什么是端末效应？

注射成型时，聚合物熔体经常需要通过截面大小不同的浇口和流道，当熔体经过流道截面变化的部位时，将会因界面的影响发生弹性收敛或膨胀运动，这些运动统称为端末效应。

端末效应对于制件质量的危害：

可导致制件变形扭曲、尺寸不稳定、内应力过大和力学性能降低等。

端末效应种类：入口效应和离模膨胀效应。

1．入口效应

什么是入口效应？

聚合物熔体在管道入口端因出现收敛流动，使压力降突然增大的现象。

图2—23。熔体从

大直径管道进入小直径

管道，需经一定距离Le

后方能稳态流动。

Le，入口效应区长

度，不同的聚合物和不

同直径的管道，入口效

应区长度不相同。Le／

D，表征产生入口效应

范围的大小。

实验证明，在层流条件下，对牛顿型流体，L e约为0．05DR e；对非牛顿型的假塑性流体，L e在0．03～0．05DR e的范围内，R e为雷诺数。

入口区压力降突增的原因：

①聚合物以收敛方式进入小直径管时，为保持体积流率不变，如果管壁处的流速仍保持为零就只有增大熔体内的速度梯度，才能满足调整流速的要求，为此只有消耗适当的能量才能增大速度梯度，加之随流速的增大，流动的动能也相应增大，这也使能量的消耗增多；

②熔体内的剪切速率增大，迫使聚合物大分子更大和更快的变形，而这种具有高弹性特征的形变，需克服分子内和分子间的作用力，也要消耗一定的能量。

考虑流体入口效应后压力降的计算：

将入口端的额外压力降看成是一段“相当长度”管道所引起的压力降。若用eR 表示这个“相当长度”，即将有入口效应时熔体流过长度为L 的管道的压力降，当作没有入口效应时熔体需流过(L+eR)长度的压力降。

用“相当长度”修正后的圆截面管管壁处的切应力若为τ’R ，τ’R 与修正前同一处的切应力τR 之间有如下关系

()()R R L L L L pL R L p R ττeR eR 2eR 2'

+=+∆=+∆= (2-59)

式中 R ——等截面圆管的半

径；

e ——入口效应修正系数。

由于L／(L十eR)

考虑入口效应的目的：①必要时避免或减小入口效应，以保证制品的成型质量。②确定注射压力时，除需要考虑所有流道(包括浇口)总长引起的压力损耗外，还要计入由入口效应引起的压力损失。

2．离模膨胀效应

什么是离模膨胀效应？

当聚合物熔体流出流道或浇口时，熔流发生体积膨胀的现象叫做离模膨胀效应。

离模膨胀特征：熔体刚脱离流道时，先发生很短一段的

体积收缩（收缩比D

s ／

D≈0．7），然后才发生体积

膨胀。

离模膨胀比：B=D

f

/D (2-60)

D f—膨胀后熔流最大直径；

D—流道直径。

离模膨胀的原因：聚合物熔体从流道中流出后，周围压力大大减小，聚合物内的大分子突然变得自由，流动变形中已经伸展开的大分子链重新恢复蜷曲，各分子链的间距随之增大，熔体在流道中形成的取向结构也将重新恢复到无序的平衡状态，导致聚合物内自由空间增大，于是体积相应发生膨胀。

影响离模膨胀的因素：

①黏度大和非牛顿性强的聚合物熔体在流动过程中容

易产生较大的弹性变形，故离模膨胀效应严重。

②弹性模量大的聚合物在流动过程中产生的弹性变形小，离模膨胀效应比较小。

③增大切应力和剪切速率(不能超过极限值)时，聚合

物熔体在流动过程中的弹性变形随着增加，离模膨胀效应加剧。

④在中等剪切速率范围内，降低温度不仅会增大入口

效应和延长松弛时间，同时还会因此而加剧离模膨胀效应。但当剪切速率超过稳定流动允许的极限剪切速率后，离模膨胀反而会随剪切速率增大而减小。

二、失稳流动和熔体破裂

什么是失稳流动？

在高剪切速率(≥106s —1)区域，熔体黏度虽然可以降到最小值(即极限黏度η∞)，但大分子链会在极高的剪切速率作用下完全被拉直，继续变形就会呈现很大的弹性性质，导致流动无法保持稳定的层流，熔体陷入一种弹性紊乱状态，各点的流速会互相干扰，通常将此现象称为失稳流动。

⑤增大流道直径和流道的长径比，以及减小流道入口处的收敛角，都能减小熔体流动过程中的弹性变形，从而减轻离模膨胀效应。

什么是极限切应力和极限剪切速率？

引起失稳流动的切应力和剪切速率分别称为极限切应力和极限剪切速率。

什么是熔体破裂？

聚合物熔体在失稳状态下通过模内的流道后，将会变得粗细不均，没有光泽，表面出现粗糙的鲨鱼皮状。此种

情况下，如果继续增大切

应力或剪切速率，熔体将

呈现波浪、竹节形或周期

螺旋形，更严重时将互相

断裂成不规则的碎片或小

圆柱块，这种现象称为熔

体破裂。

聚合物失稳流动和熔体

破裂的标志：弹性紊乱。

G

G R a re τηγ==•（2-61）式中 ——剪切速率，s —1；

——表观黏度，Pa ·s ； G ——切变模量，Pa ； τ——切应力，Pa 。

•γ

a η 实验证明，大多数聚合物的R re =4～8，如聚乙烯为6．4～6．9、聚苯乙烯为7．1～7．7、聚甲基丙烯酸甲酯为7．2。

②熔体破裂时的黏度ηf 。 判断聚合物熔体是否出现弹性紊乱或失稳流动的参数：

ηf =0.025η0

①弹性雷诺数R re 。